Photosystème II - Photosystem II

Photosystème cyanobactéries II, Dimère, PDB 2AXT

Photosystème II (ou eau-plastoquinone oxydoréductase ) est le premier complexe protéique dans les réactions dépendant de la lumière de oxygenic photosynthèse . Il est situé dans la membrane thylakoïde des plantes , des algues et des cyanobactéries . Dans le photosystème, les enzymes capturent des photons de lumière pour dynamiser les électrons qui sont ensuite transférés à travers une variété de coenzymes et de cofacteurs pour réduire la plastoquinone en plastoquinol. Les électrons excités sont remplacés par de l' eau oxydante pour former des ions hydrogène et de l'oxygène moléculaire.

En reconstituant les électrons perdus avec des électrons provenant de la division de l'eau , le photosystème II fournit les électrons nécessaires à l'ensemble de la photosynthèse. Les ions hydrogène (protons) générés par l'oxydation de l'eau aident à créer un gradient de protons qui est utilisé par l' ATP synthase pour générer de l' ATP . Les électrons excités transférés à la plastoquinone sont finalement utilisés pour réduire le NADP⁺
au NADPH ou sont utilisés dans un flux d'électrons non cyclique . Le DCMU est un produit chimique souvent utilisé en laboratoire pour inhiber la photosynthèse. Lorsqu'il est présent, le DCMU inhibe le flux d'électrons du photosystème II vers la plastoquinone.

Structure du complexe

Photosystème cyanobactérien II, Monomère, PDB 2AXT.

Schéma du PSII, mettant en évidence le transfert d'électrons.

Le noyau de PSII est constitué d'un hétérodimère pseudo-symétrique de deux protéines homologues D1 et D2. Contrairement aux centres de réaction de tous les autres photosystèmes dans lesquels la charge positive reposant sur le dimère de chlorophylle qui subit la séparation de charge photoinduite initiale est également partagée par les deux monomères, dans le PSII intact, la charge est principalement localisée sur un centre de chlorophylle (70-80% ). De ce fait, le P680 ⁺ est très oxydant et peut participer à la décomposition de l'eau.

Le photosystème II (de cyanobactéries et de plantes vertes) est composé d'une vingtaine de sous-unités (selon l'organisme) ainsi que d'autres protéines accessoires captant la lumière. Chaque photosystème II contient au moins 99 cofacteurs : 35 chlorophylle a, 12 bêta-carotène , deux phéophytine , deux plastoquinone , deux hème , un bicarbonate, 20 lipides, le Mn
₄CaO
₅cluster (comprenant deux ions chlorure), un Fe non hémique²⁺
et deux ca putatifs²⁺
ions par monomère. Il existe plusieurs structures cristallines du photosystème II. Les codes d' accession PDB pour cette protéine sont 3WU2 , 3BZ1 , 3BZ2 (3BZ1 et 3BZ2 sont des structures monomères du dimère du Photosystème II), 2AXT , 1S5L , 1W5C , 1ILX , 1FE1 , 1IZL .

Complexe de dégagement d'oxygène (OEC)

Structure proposée du Centre du manganèse

Le complexe dégageant de l'oxygène est le site de l'oxydation de l'eau. C'est un cluster métallo-oxo comprenant quatre ions manganèse (dans des états d'oxydation allant de +3 à +4) et un ion calcium divalent. Lorsqu'il oxyde l'eau, produisant de l'oxygène gazeux et des protons, il délivre séquentiellement les quatre électrons de l'eau à une chaîne latérale de tyrosine (D1-Y161), puis à P680 lui-même. Il est composé de trois sous-unités protéiques, OEE1 (PsbO), OEE2 (PsbP) et OEE3 (PsbQ) ; un quatrième peptide PsbR est associé à proximité.

Le premier modèle structurel du complexe dégageant de l' oxygène a été résolu en utilisant la cristallographie aux rayons X de cristaux de protéines congelée avec une résolution de 3,8 Â en 2001. Au cours des prochaines années , la résolution du modèle a été progressivement augmentée à 2,9 Å . Bien que l'obtention de ces structures ait été en soi un grand exploit, elles n'ont pas montré en détail le complexe évoluant de l'oxygène. En 2011, l'OEC du PSII a été résolue à un niveau de 1,9Å révélant cinq atomes d'oxygène servant de ponts oxo reliant les cinq atomes métalliques et quatre molécules d'eau liés au cluster Mn4CaO5 ; plus de 1 300 molécules d'eau ont été trouvées dans chaque monomère du photosystème II, certaines formant de vastes réseaux de liaisons hydrogène pouvant servir de canaux pour les protons, les molécules d'eau ou d'oxygène. A ce stade, il est suggéré que les structures obtenues par cristallographie aux rayons X sont biaisées, car il est prouvé que les atomes de manganèse sont réduits par les rayons X de haute intensité utilisés, altérant la structure OEC observée. Cela a incité les chercheurs à amener leurs cristaux dans différentes installations de rayons X, appelées lasers à électrons libres de rayons X , comme le SLAC aux États-Unis. En 2014, la structure observée en 2011 s'est confirmée. Connaître la structure de Photosystem II n'a pas suffi à révéler son fonctionnement exact. Alors maintenant, la course a commencé pour résoudre la structure du Photosystème II à différentes étapes du cycle mécanistique (discuté ci-dessous). Actuellement, les structures de l'état S1 et de l'état S3 ont été publiées presque simultanément à partir de deux groupes différents, montrant l'ajout d'une molécule d'oxygène désignée O6 entre Mn1 et Mn4, suggérant qu'il pourrait s'agir du site du complexe d'évolution de l'oxygène, où l'oxygène est produit.

Fractionnement de l'eau

Procédé de fractionnement de l'eau : Transport et régulation d'électrons. Le premier niveau ( A ) montre le modèle original de Kok du cycle des états S, le deuxième niveau ( B ) montre le lien entre le transport des électrons (avancement des états S) et le processus de relaxation des états S intermédiaires ([YzSn ], n=0,1,2,3) formation

Le fractionnement photosynthétique de l'eau (ou dégagement d'oxygène ) est l'une des réactions les plus importantes de la planète, puisqu'il est à l'origine de la quasi-totalité de l'oxygène de l'atmosphère. De plus, la division de l'eau par photosynthèse artificielle peut contribuer à l'utilisation efficace de la lumière du soleil comme source d'énergie alternative.

Le mécanisme de l'oxydation de l'eau est compris de manière substantielle. L'oxydation de l'eau en oxygène moléculaire nécessite l'extraction de quatre électrons et quatre protons à partir de deux molécules d'eau. La preuve expérimentale que l'oxygène est libéré par réaction cyclique du complexe évoluant de l'oxygène (OEC) au sein d'un PSII a été fournie par Pierre Joliot et al. Ils ont montré que, si du matériel photosynthétique adapté à l'obscurité (plantes supérieures, algues et cyanobactéries) est exposé à une série de flashs de renouvellement uniques, le dégagement d'oxygène est détecté avec une oscillation amortie typique de la période quatre avec des maxima sur le troisième et le septième flash. et avec des minima sur le premier et le cinquième flash (pour revue, voir). Sur la base de cette expérience, Bessel Kok et ses collaborateurs ont introduit un cycle de cinq transitions induites par flash des soi-disant états S , décrivant les quatre états redox de l'OEC : lorsque quatre équivalents oxydants ont été stockés (au niveau S ₄ - état), OEC revient à son état de base S ₀ . En l'absence de lumière, l'OEC se "relâchera" jusqu'à l' état S ₁ ; l' état S ₁ est souvent décrit comme étant « stable à l'obscurité ». L' état S ₁ est largement considéré comme constitué d'ions manganèse avec des états d'oxydation de Mn ³⁺ , Mn ³⁺ , Mn ⁴⁺ , Mn ⁴⁺ . Enfin, les états S intermédiaires ont été proposés par Jablonsky et Lazar comme mécanisme de régulation et lien entre les états S et la tyrosine Z.

En 2012, Renger a exprimé l'idée de transformations internes des molécules d'eau en oxydes typiques dans différents états S lors de la division de l'eau.

Inhibiteurs

Les inhibiteurs de PSII sont utilisés comme herbicides. Il existe deux grandes familles chimiques, les triazines dérivées du chlorure cyanurique dont l' atrazine et la simazine sont les plus couramment utilisées et les aryl urées qui comprennent le chlortoluron et le diuron (DCMU).

Voir également

• Évolution de l'oxygène
• P680
• Photosynthèse
• Photosystème
• Photosystème I
• Protéine de récolte de lumière Photosystem II
• Centre de réaction
• Photoinhibition

Les références